許栩達(dá)，蔣春麗，黃志其，陳 慧

（佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司,廣東佛山528100）

淺析模具因素對(duì)某5×××鋁合金擠壓型材組織條紋的影響

許栩達(dá)，蔣春麗，黃志其，陳 慧

（佛山市三水鳳鋁鋁業(yè)有限公司,廣東佛山528100）

鋁合金擠壓組織條紋區(qū)別于表面機(jī)械紋路，是由于合金內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而產(chǎn)生的規(guī)則或不規(guī)則紋路，經(jīng)表面處理（如堿蝕、化學(xué)拋光）后顯露。通過(guò)分析某5×××系鋁合金生產(chǎn)過(guò)程中組織條紋缺陷產(chǎn)生的原因，介紹了通過(guò)模具設(shè)計(jì)優(yōu)化及維護(hù)的方法，達(dá)到預(yù)防控制組織條紋產(chǎn)生的目的。

組織條紋；表面處理；5×××合金；模具設(shè)計(jì)

0 前言

目前高端鋁合金表面裝飾材市場(chǎng)主要采用6063、6463兩種合金作為原材料。由于國(guó)際鋁型材交易市場(chǎng)關(guān)貿(mào)、行業(yè)保護(hù)等方面的原因，部分國(guó)家限制中國(guó)生產(chǎn)的6×××合金進(jìn)入其市場(chǎng)，對(duì)行業(yè)內(nèi)以裝飾型材生產(chǎn)為主的廠家造成了不利影響。因此開(kāi)發(fā)一種經(jīng)化拋-堿蝕氧化-電解著色等表面處理后有高質(zhì)量表面的非6×××合金顯得十分重要。此文介紹經(jīng)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)的某5×××合金（以下稱(chēng)50PG），氧化后表面質(zhì)量?jī)?yōu)異可媲美6063、6463型材，擠壓性強(qiáng)，適合生產(chǎn)復(fù)雜斷面。適當(dāng)添加了Si、Cu元素，使其具備一定的時(shí)效熱處理效應(yīng)，從而具備全面替代6×××合金裝飾材的潛力。但此類(lèi)合金在擠壓生產(chǎn)過(guò)程中，由于鑄棒表皮反偏析層（ISZ）厚度、擠壓變形抗力、合金流動(dòng)方式與6063、6463合金差異較大，白線(xiàn)、暗影等組織條紋異常發(fā)生概率遠(yuǎn)高于6×××合金。由于此系列合金基材表面淺表層品質(zhì)難以控制，會(huì)影響到陽(yáng)極氧化效果[1]，其大規(guī)模應(yīng)用受到嚴(yán)重制約。

本文分析50PG合金白線(xiàn)、暗影等組織條紋缺陷產(chǎn)生的原因，并通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)得出此合金生產(chǎn)時(shí)模具設(shè)計(jì)及維護(hù)要點(diǎn)，取得了較好的效果。

1 組織條紋形貌及產(chǎn)生原因分析

一般將鋁合金擠壓型材表面由于微觀組織結(jié)構(gòu)上的差異，如晶粒尺寸、第二相形貌、雜質(zhì)相分布等造成的經(jīng)表面處理后出現(xiàn)宏觀可視直線(xiàn)狀或水紋狀的條紋缺陷統(tǒng)稱(chēng)為組織條紋。與正常外觀相比，組織條紋呈現(xiàn)出白線(xiàn)、黑線(xiàn)、暗線(xiàn)等不同視覺(jué)效果，破壞了表面處理后型材色澤的均勻性而造成品質(zhì)報(bào)廢。

1.1 暗線(xiàn)產(chǎn)生原因分析

“暗線(xiàn)”或稱(chēng)“暗影”多出現(xiàn)在型材某些特殊位置對(duì)應(yīng)的表面上，如“T”位、螺絲孔位置，氧化后呈直線(xiàn)狀貫穿整支型材。圖1（a）、（b）所示為某5系合金經(jīng)拋光槽三酸侵蝕后暗影位置與正常位置200倍金相圖對(duì)比。從兩圖可以看出，暗影位置的第二相粒子數(shù)量遠(yuǎn)少于正常位置組織，且除晶界位置個(gè)別粗大相外，暗影位置的第二相粒子尺寸更加細(xì)小均勻。由于微觀析出物的差異，在宏觀上造成不同位置對(duì)光線(xiàn)反射的不同，暗影位置析出物少，對(duì)光線(xiàn)反射更具選擇性，因此在視覺(jué)上產(chǎn)生“暗”的效果。

圖1 經(jīng)拋光處理后的金相組織

造成上述析出物差異的根本原因在于合金成分設(shè)計(jì)及擠壓過(guò)程中的不同位置變形量及變形溫升的差異。由于在50PG合金中添加了一定量的Si元素，使得此合金的固溶析出現(xiàn)象較一般5×××合金更為明顯，在型材的某些特定位置（如螺絲孔位、筋條位）變形量大[2]，變形溫升高，第二相回溶充分，在后續(xù)時(shí)效過(guò)程中析出相則彌散細(xì)小；而其他位置溫升相對(duì)較小，第二相粗大，與高變形溫升區(qū)相對(duì)比而稱(chēng)為暗影區(qū)。

1.2 白線(xiàn)產(chǎn)生原因分析

在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)采用常規(guī)設(shè)計(jì)模具生產(chǎn)50PG的產(chǎn)品白線(xiàn)發(fā)生率高于6463合金。其位置沒(méi)有明顯規(guī)律可循，多出現(xiàn)在擠壓的頭尾料上，宏觀表現(xiàn)為氧化后沿?cái)D壓方向延伸的直線(xiàn)狀或水紋狀白色線(xiàn)條。在部分“一出多”模具上也可以發(fā)現(xiàn)貫穿整支型材的白線(xiàn)存在。圖2所示為白線(xiàn)金相組織。試樣為經(jīng)三酸拋光槽腐蝕后的白線(xiàn)不良品。

圖2 經(jīng)拋光處理的白線(xiàn)不良品

如圖2（a）中箭頭所示，白線(xiàn)中含有大量的第二相粒子，其分布沒(méi)有明顯的冶金及熱處理特征，而是沿?cái)D壓方向呈直線(xiàn)狀。從圖2（b）200倍金相圖片可以發(fā)現(xiàn)，白線(xiàn)區(qū)域與非白線(xiàn)區(qū)域第二相粒子的數(shù)量有明顯的差異，即使在同一晶粒內(nèi)也可清楚分辨。根據(jù)文獻(xiàn)描述[2]，組織條紋中的第二相粒子主要來(lái)源為鑄棒表層組織，隨擠壓過(guò)程中的金屬流動(dòng)而機(jī)械地分布在型材表面不同位置，帶入量的多少與鑄棒表層偏析層厚度密切相關(guān)。在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，50PG合金的鑄棒反偏析厚度遠(yuǎn)大于等規(guī)格6463合金鑄棒，如圖3（a）、圖3（b）所示。偏析層中鑄造缺陷，如疏松、氣孔、夾雜物、氧化物含量較高[3]，隨擠壓過(guò)程進(jìn)入型材表層組織中，氧化后形成與基材表面色差明顯的條狀缺陷。

圖3 兩種合金反偏析厚度

綜上所述，組織條紋的產(chǎn)生是由于型材淺表面不同位置的微觀組織差異而引起的宏觀視覺(jué)差造成的，其影響因素除了鑄錠質(zhì)量、擠壓工藝外，擠壓模具由于在擠壓過(guò)程中對(duì)金屬流動(dòng)起決定性作用，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)鋁型材產(chǎn)品組織同樣有重要影響[2]。

下面簡(jiǎn)要分析模具因素對(duì)鋁型材組織條紋形成的影響，并提出相應(yīng)的預(yù)防改善措施。

2 模具因素的影響

2.1 進(jìn)料外接圓大小的影響

在擠壓過(guò)程中，由于鑄棒與擠壓筒壁、模具端面、擠壓墊的摩擦作用，鑄棒表皮會(huì)不斷堆積，當(dāng)達(dá)到一定程度之后，表皮則會(huì)隨著鋁棒中心的流動(dòng)進(jìn)入到型材當(dāng)中。由于50PG鑄棒表層厚，變形抗力較大及擠壓指數(shù)與常規(guī)合金不同，這一現(xiàn)象將會(huì)加劇[5]。模具進(jìn)料端面與盛錠筒形成死區(qū)（圖4）。死區(qū)可阻礙鑄錠表面的雜質(zhì)、偏析瘤、灰塵及表面缺陷進(jìn)入變形區(qū)流入制品表面，從而起到提高制品表面質(zhì)量的作用[6]。模具進(jìn)料孔位置直接影響死區(qū)的大小，為得到高表面質(zhì)量的型材，模具進(jìn)料口外接圓不宜過(guò)大，一般距離盛錠筒壁最短距離應(yīng)大于10mm，大規(guī)格產(chǎn)品還應(yīng)適量加大。合理的外接圓尺寸，可有效阻止鑄棒表層流入擠壓制品中，降低了表面條紋發(fā)生的概率。

圖4 型材擠壓時(shí)死區(qū)的形成及雜質(zhì)流動(dòng)

2.2 導(dǎo)流孔或焊合室深度

鋁擠壓過(guò)程中，隨著擠壓棒數(shù)的增多，鋁棒或外來(lái)雜質(zhì)會(huì)逐漸在模具導(dǎo)流孔或焊合室積累，導(dǎo)流孔或焊合室的容積越大，雜質(zhì)積累越嚴(yán)重。達(dá)到一定程度時(shí)，“死區(qū)”也無(wú)法阻止雜質(zhì)流入到型材中，產(chǎn)生組織條紋。50PG合金屬于5系合金，在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，其雜質(zhì)積累的速度快于6063或6463常用合金，因此在模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量采用小導(dǎo)流孔或焊合室設(shè)計(jì)，并在擠壓操作時(shí)留夠壓余長(zhǎng)度，避免雜質(zhì)積累流入。

2.3 關(guān)鍵部位金屬流量控制

在型材中壁厚厚薄轉(zhuǎn)接位、“T”字位、肋條處、螺絲孔處等，均處于受多方應(yīng)力作用金屬流動(dòng)變化劇烈的狀態(tài)，在局部位置由于金屬供流不足或過(guò)量，在變化過(guò)程中產(chǎn)生摩擦熱及變形熱的差異，造成第二相固溶條件的變化，形成了組織條紋，多數(shù)表現(xiàn)為暗線(xiàn)。消除此類(lèi)異常除注意轉(zhuǎn)接處圓滑過(guò)渡外，可通過(guò)加工引料槽，增加焊合體積的方法，可有效改變受力狀態(tài)減少組織條紋的概率，如圖5、圖6所示。

圖5 增加儲(chǔ)料體積

圖6 加工引料槽

2.4 工作帶設(shè)計(jì)及模具材質(zhì)

工作帶是模具中垂直于模具工作端面并用以保證擠壓制品的形狀、尺寸及表面質(zhì)量的區(qū)段。工作帶設(shè)計(jì)應(yīng)以平穩(wěn)為主，若在某些特殊部位，如厚薄變化位置，必須通過(guò)工作帶長(zhǎng)度變化來(lái)調(diào)整流量。因此長(zhǎng)短工作帶之間必須采用圓滑平穩(wěn)的過(guò)渡，否則在過(guò)渡位置金屬因摩擦不同而產(chǎn)生組織條紋。另外，工作帶表面組織的不均勻性使成型過(guò)程中的摩擦力存在差異，也可能造成組織條紋的出現(xiàn)。

模具材質(zhì)中最常見(jiàn)的雜質(zhì)有硫化物、氧化物等，這些雜質(zhì)的存在打破了鋼材的均一性。如果在模具工作帶上發(fā)生局部聚集（如圖7、圖8所示），則此處在擠壓過(guò)程中的鋁-鋼摩擦系數(shù)將發(fā)生顯著改變[7]，造成第二相粒子的分布和固溶條件受到影響，最終在氧化后呈現(xiàn)出不同的視覺(jué)表現(xiàn)。由于5系合金生產(chǎn)時(shí)變形抗力較高，對(duì)于模具材質(zhì)對(duì)摩擦系數(shù)的影響更加敏感，因此必須對(duì)模具材質(zhì)提出更高的要求。目前市面上的模具鋼材良莠不一，品質(zhì)差異較大，為減少組織條紋的產(chǎn)生概率必須對(duì)購(gòu)入鋼材的品質(zhì)進(jìn)行管控。

圖7 工作帶鋼材氧化物偏聚區(qū)

圖8 工作帶鋼材正常組織

3 結(jié)論

（1）鋁合金擠壓型材組織條紋是由于微觀組織結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸、第二相形貌、雜質(zhì)相分布等）的差異造成。

（2）通過(guò)模具設(shè)計(jì)，擴(kuò)大“死區(qū)”范圍，采用淺導(dǎo)流孔，可阻止雜質(zhì)流入，減少雜質(zhì)積累，抑制雜質(zhì)類(lèi)組織條紋的產(chǎn)生。

（3）優(yōu)化關(guān)鍵位置（“T”型位、肋條位、螺絲孔）的金屬流動(dòng)，保證供料充足，可抑制結(jié)構(gòu)性組織條紋產(chǎn)生。

(4)工作帶過(guò)渡平緩、材質(zhì)均勻，可改善鋁-鋼摩擦副的工作狀態(tài)，減少因熱變形狀態(tài)不同而產(chǎn)生的組織條紋；模具材質(zhì)的改進(jìn)，在一定程度上能減少組織條紋的形成概率。

[1]潘禎，劉鉞.陽(yáng)極氧化用5052鋁合金基材軋制表面質(zhì)量控制淺析[J].鋁加工，2014,（6），38-41

[2]鄧汝榮，曾蕾.模具結(jié)構(gòu)對(duì)鋁型材擠壓的組織影響分析[J].鋁加工，2014,（6），26-29

[3]欒守國(guó)，蔣隆華.6N01鑄棒表面花斑成因及解決措施[J].鋁加工，2016,（3），9-13

[4]William Dixon,San Diego.Extrusion Surface Effects Resulting From Billet Surface Inflow[J].Extrusion Technology for Aluminum Profiles Foundation,2008

[5]Hideo Sano,Takashi Ishikawa,Yoshinori.Study on Metal Flow in Extrusion Billet[J].Extrusion Technology for Aluminum Profiles Foundation,2008

[6]吳錫坤.鋁型材加工實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),1973

Effect of Mold on Microstructure Streaks for Certain 5××× Aluminum Alloy Extrusions

XU Xu-da,JIANG Chun-li,HUANG Zhi-qi,CHEN Hui
(Foshan Sanshui Fenglv Aluminum Industry Co.,Ltd.,Foshan 528100,China)

Microstructure streaks are different from surface mechanical streaks for aluminum alloy extrusions,which are formed due to internal microstructure change,appear after surface treatment(alkali etching,chemical polishing).Cause of microstructure streaks during production of 5xxx aluminum alloy were analyzed,and how to prevent and control microstructure streaks can be obtained by aid of design optimization and maintenance of mold.

microstructure streaks;surface treatment;5xxx alloy;mold design

TG379

A

1005-4898(2017)06-0045-06

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.06.09

許栩達(dá)（1982－），男，湖南株洲人， 碩士研究生。

2017－09－26